JP5430810B2 - Electron impact active pixel sensor - Google Patents

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Description

発明の分野
本発明は,低光量で検知し,イメージ化するための光電陰極を使用する,電子衝撃モードの能動画素センサー使用して,低光量で,有用なイメージをイメージ化し,または検出する装置および方法に関する。
Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for imaging or detecting useful images at low light quantity using an active pixel sensor in an electron impact mode that uses a photocathode for detecting and imaging at low light quantity. And methods.

発明の背景
低光量で動作するカメラについて,いろいろな分野で多くの重要な応用がなされている。この中には,写真用,暗視用,監視用,さらには科学用のものが含まれる。最新の暗視システムは,たとえば,直視システムから,カメラを利用した装置に今や急速に変わりつつある。これらは,ビデオ表示や処理の連続した進歩により加速されている。ビデオを利用したシステムは,遠隔表示を可能にするとともに,前方監視赤外線センサーからのような他のイメージと融合して,見ること,記録すること,さらにイメージ処理を可能にする。監視応用例もまたビデオを利用することが優勢になってきているが,この例では,カメラの大きさ,性能および低光量感度がしばしば問題となる。科学応用例では,広いスペクトル範囲および高フレームレートにわたって良好な光子感度をもつカメラを必要としている。これらの応用例などでは,ビデオの直接出力がなされる,改良された低光量センサーの必要性がより求められている。
BACKGROUND OF THE INVENTION Many important applications have been made in various fields for cameras that operate with low light intensity. This includes photography, night vision, surveillance, and scientific use. Modern night vision systems, for example, are rapidly changing from direct vision systems to devices using cameras. These are being accelerated by continuous advances in video display and processing. Video-based systems allow remote display and can be merged with other images, such as from a forward-looking infrared sensor, to allow viewing, recording, and image processing. Surveillance applications are also becoming more prevalent with video, but in this example camera size, performance and low light sensitivity are often problematic. Scientific applications require cameras with good photon sensitivity over a wide spectral range and high frame rate. In these applications, there is a greater need for an improved low light sensor that can output video directly.

イメージセンサーのアレーを組み込むイメージ検知装置が一般的に電子カメラに使用されている。各画素は,入射光に応答して出力信号を生成する。その信号はイメージを形成するために,典型的に一度にローを一つ,読み出される。従来技術のカメラは,イメージセンサーとして,電荷結合デバイス(CCD)を利用していた。感度を高めるために,増幅器を各画に組み込むイメージセンサーが能動画素センサー(APSとしても参照される)として知られている。能動画素センサーは,たとえば,Merrillによる,1998年8月4日に発行された米国特許第5,789,774号,Dickinson等による,1996年5月20日に発行された米国特許第5,631,704号,Tomura等による,1996年5月28日に発行された米国特許第5,521,639号,Merrillによる,1998年2月24日に発行された米国特許第5,721,425号,Lee等による,1997年4月29日に発行された米国特許第5,625,210号,Merrillによる,1997年3月25日に発行された米国特許第5,614,744号,およびAckland等による,1998年4月14日に発行された米国特許第5,739,562号に開示されている。能動画素センサーの関連した分野では,Fossumによる論文"CMOSイメージセンサー:一チップ上の電子カメラ",IEEE Transactions on Electron Devices,第44巻,第10号,第1689−1698頁(1997)があり,この論文は参考文献としてここに組み込まれる。 Image sensing devices incorporating image sensor arrays are commonly used in electronic cameras. Each pixel generates an output signal in response to incident light. The signal is typically read one row at a time to form an image. Prior art cameras used a charge coupled device (CCD) as an image sensor. To increase the sensitivity, the image sensor incorporating the amplifier Kakue element is known as an active pixel sensor (also referred to as APS). Active pixel sensors are described, for example, by Merrill, US Pat. No. 5,789,774 issued Aug. 4, 1998, by Dickinson et al., US Pat. No. 5,631,704 issued May 20, 1996, Tomura et al., US Patent No. 5,521,639 issued on May 28, 1996, Merrill, US Patent No. 5,721,425 issued on February 24, 1998, Lee et al., US issued April 29, 1997 No. 5,625,210, Merrill, US Pat. No. 5,614,744 issued Mar. 25, 1997, and Ackland et al., US Pat. No. 5,739,562, issued Apr. 14, 1998. In a related field of active pixel sensors, there is a paper by Fossum "CMOS image sensor: electronic camera on one chip", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 44, No. 10, pp. 1689–1698 (1997). This paper is incorporated herein by reference.

一般的に,星明かりおよびより低い照度レベルの場合のような極端に低い光レベルを含む,広範囲な光量にわたって高質なイメージを生成するカメラを提供することが望ましい。さらに,カメラは,大きさが物理的に小さく,電子パワーの条件が緩やかであるべきで,このことにより携帯することができ,頭部に据え付けることができ,さらに,他のバッテリーで稼動するものとすることができる。能動画素センサーカメラは,小型化および低パワー条件を満たすが,低光量では感度が低く,その性能は,0.1ルックス(薄明かり)または高光量の条件に限定される。  In general, it is desirable to provide a camera that produces high quality images over a wide range of light levels, including extremely low light levels, such as in the case of starlight and lower illumination levels. In addition, the camera should be physically small in size and have a gentle electronic power requirement, so that it can be carried, mounted on the head, and operated with other batteries. It can be. The active pixel sensor camera meets the requirements for miniaturization and low power, but the sensitivity is low at low light, and its performance is limited to 0.1 lux or high light conditions.

極端に低い光量の下で動作する暗視カメラが従来知られている。今日使用されている標準的な低光量のカメラは,イメージ強化CCDまたはICCDカメラを形成するために,CCDに光学的に結合した第三世代(GaAs光電陰極)または第二世代(多重アルカリ光電陰極)イメージ増強管ファイバーに基づいたものである。イメージ化されるシーンは,入力レンズにより,光電陰極フェイスプレート組立体に焦点合わせされる。入射光エネルギーは,光電子を光電陰極から電子イメージに解放し,電子イメージを形成する。電子イメージは,マイクロチャネル・プレート(MCP)電子マルチプライヤー(これは,イメージの幾何学的な完全性を維持しながら,二次増幅により電子イメージを強化する)の入力部近傍に焦点合わせされる。強化された電子イメージは,蛍光スクリーン(これは電子イメージを可視イメージ(典型的にファイバー光学出力窓を通して見ることができる)に変換する)近くに焦点合わせされる。ファイバー光学テーパーまたは伝達レンズがつぎに,この増幅された視覚イメージを標準CCDセンサー(これは,光イメージを,ビデオ信号を形成する電子に変換する)に伝達する。これら既存の,従来技術のICCDカメラにおいて,イメージがサンプル化される五つのインターフェイスがあり,各インターフェイスは解像度を低下させ,ICCDカメラの信号にノイズを加える。これまで避けることのできなかったこのイメージの劣化は,高品質の出力を要求するシステムには重大な欠点である。ICCDセンサーはまた,溶融ファイバー光学要素のために,大きく,重い。第三世代のMCPイメージ増強管は,たとえば,Johnson等の1994年12月13日に発行された米国特許第5,373,320号に記述されている。この特許に記述されたカメラ・アタッチメントは,標準的な昼光ビデオカメラを日中/夜間カメラに変換する。  Conventionally, night vision cameras that operate under extremely low light levels are known. Standard low light cameras in use today are third generation (GaAs photocathodes) or second generation (multi-alkali photocathodes) optically coupled to CCDs to form image enhanced CCD or ICCD cameras. ) Based on image intensifier tube fiber. The scene to be imaged is focused on the photocathode faceplate assembly by the input lens. Incident light energy releases photoelectrons from the photocathode to an electronic image, forming an electronic image. The electronic image is focused near the input of a microchannel plate (MCP) electronic multiplier, which enhances the electronic image by secondary amplification while maintaining the geometric integrity of the image . The enhanced electronic image is focused near a fluorescent screen, which converts the electronic image into a visible image (typically visible through a fiber optic output window). A fiber optic taper or transfer lens then transmits this amplified visual image to a standard CCD sensor, which converts the light image into electrons that form a video signal. In these existing prior art ICCD cameras, there are five interfaces through which images are sampled, each of which reduces the resolution and adds noise to the signal of the ICCD camera. This image degradation, which could not be avoided before, is a serious drawback for systems that require high quality output. ICCD sensors are also large and heavy due to the molten fiber optic. A third generation MCP image intensifier is described, for example, in US Pat. No. 5,373,320 issued Dec. 13, 1994 to Johnson et al. The camera attachment described in this patent converts a standard daylight video camera into a day / night camera.

ICCDカメラの複数の光学インターフェイスから生じたイメージの劣化に加え,MCPが比較的ノイズのある増幅器であることはさらに問題である。利得処理における,この付加されたノイズは,低光量のイメージ品質をさらに劣化させる。MCPのノイズ特性は,過度のノイズ因子Kfにより特徴つけられる。KfはMCPの入力での信号対ノイズのパワー比を,増幅後のMCPの出力での信号対ノイズのパワー比で割った比として定義される。このKfはMCP利得処理のために,信号対ノイズの比の劣化の尺度である。Kfの典型的な値は,第三世代のイメージ増強管に対して4.0である。第三世代のイメージ増強管で使用する,低ノイズで,高利得のMCPはAebi等により,1993年12月7日に発行された米国特許第5,268,612号に開示されている。  In addition to image degradation resulting from the multiple optical interfaces of an ICCD camera, it is even more problematic that the MCP is a relatively noisy amplifier. This added noise in gain processing further degrades the image quality of low light quantities. The noise characteristics of MCP are characterized by an excessive noise factor Kf. Kf is defined as the signal-to-noise power ratio at the MCP input divided by the signal-to-noise power ratio at the amplified MCP output. This Kf is a measure of the degradation of the signal-to-noise ratio for MCP gain processing. A typical value for Kf is 4.0 for third generation image intensifiers. A low noise, high gain MCP for use in a third generation image intensifier is disclosed in US Pat. No. 5,268,612 issued Dec. 7, 1993 by Aebi et al.

他の利得メカニズムが,電子衝撃半導体(EBSとも参照される)利得処理により達成される。この利得処理において,利得は,高速の電子ビームが半導体でそのエネルギーを分散させるときに生じる電子増幅により達成される。分散したエネルギーは電子‐ホールの対を生成する。半導体シリコンに対して,一つの電子‐ホール対は,約3.6電子ボルト(eV)の入射エネルギー毎に生成される。これは,1に近いKf値をもつ,非常に低いノイズ利得処理である。1のKfは,ノイズが付加されない利得処理を示す。  Another gain mechanism is achieved by electron impact semiconductor (also referred to as EBS) gain processing. In this gain processing, gain is achieved by electronic amplification that occurs when a high-speed electron beam disperses its energy in a semiconductor. Dispersed energy creates electron-hole pairs. For semiconductor silicon, one electron-hole pair is generated for each incident energy of approximately 3.6 electron volts (eV). This is a very low noise gain process with a Kf value close to 1. A Kf of 1 indicates gain processing to which noise is not added.

電子衝撃半導体利得処理は,LaRue等による1994年12月20日に発行された米国特許第5,347,826号,およびLaRue等による1995年12月12日に発行された米国特許第5,475,227号に開示されているように,光電陰極,焦点電極および検出器に配置された半導体ダイオードからなる陽極の集まりからなる,焦点が合わされた電子衝撃ハイブリッド光電子増倍管において使用された。開示されたハイブリッド光電子増倍管は非常に感度がよいが,イメージを検知しない。  Electron impact semiconductor gain processing is disclosed in US Pat. No. 5,347,826 issued Dec. 20, 1994 by LaRue et al. And US Pat. No. 5,475,227 issued Dec. 12, 1995 by LaRue et al. As shown, it was used in a focused electron impact hybrid photomultiplier tube consisting of a collection of anodes consisting of a semiconductor diode placed in a photocathode, a focus electrode and a detector. The disclosed hybrid photomultiplier tube is very sensitive but does not detect images.

電子衝撃半導体利得処理は,ICCD低光量カメラにおけるイメージの劣化にかかわるために使用された。後方照明CCDが電子衝撃CCD(EBCCD)を形成するために,光電陰極とほぼ焦点があった陽極として使用される。光電陰極からの光電子は,加速され,後方照明CCDに直接イメージ化される。利得は,低ノイズの電子衝撃半導体利得処理により達成される。EBCCDは,MCP,蛍光スクリーン,ファイバー光学系をなくし,その結果より小型化したカメラにおいて,改良されたイメージの品質および高められた感度が得られる。従来のイメージ伝達の連鎖による劣化した分解能および高ノイズの顕著な改良がEBCCDにより実現した。EBCCDが,Lemonierによる,1987年8月18日に発行された米国特許第4,687,922号に開示されている。EBCCDの関連した背景には,イービ等による論文"ガリウムヒ素電子衝撃CCD技術"SPIE,第3434巻,第37-44頁(1998)があり,この論文もここに参考文献として組み入れられる。  Electron impact semiconductor gain processing has been used to affect image degradation in ICCD low light cameras. A backlit CCD is used as an anode that is almost in focus with the photocathode to form an electron impact CCD (EBCCD). Photoelectrons from the photocathode are accelerated and imaged directly on the backlit CCD. Gain is achieved by low noise electron impact semiconductor gain processing. EBCCD eliminates the MCP, fluorescent screen, and fiber optics, resulting in improved image quality and increased sensitivity in smaller cameras. Remarkable improvement of degraded resolution and high noise due to conventional image transfer chain was realized by EBCCD. EBCCD is disclosed in US Pat. No. 4,687,922 issued August 18, 1987 by Lemonier. The background of EBCCD is Ebi et al.'S paper "Gallium Arsenic Electron Impact CCD Technology" SPIE, Volume 3434, pp. 37-44 (1998), which is also incorporated herein by reference.

最適な低光量のEBCCD性能を発揮するには,特別のCCDを必要とする。CCDは後面において,高電子衝撃半導体利得を可能にするように,薄くするように要求される。ゲート構成物が,光電子が半導体に着くことを阻止し,低電子衝撃半導体利得が適度の加速電圧で得られるとき,CCDは,標準CCDカメラにおいて使用される正面衝撃モードで使用できない。ゲート構造物を貫くために必要な高加速電圧は,CCDに輻射ダメージを与え,CCDの寿命を短くする。フレーム伝達フォーマットもまた,CCDがチップ上のイメージ領域および記憶領域の両方をもつ場合には必要となる。イメージおよび記憶領域はほぼ同じ大きさである。フレーム伝達フォーマットが二つの理由で必要となる。まず,CCDイメージ領域は,可能であるならば,高充填因子(最小デッドエリア)をもつことである。フレーム伝達CCDアーキテクチャーはこの条件を満たす。行間電圧アーキテクチャーは,(70−80%のオーダの)実質的なデッドエリアをもたらす。能動エリアの減少は光電子を失わせる。このことは,光電子陰極量子化効率または感度の低下を意味する。最も低い光量(星明かりまたは曇りの星明かり)では,低光量カメラの性能は,光子統計により表される。十分に低い光量の分解能および性能のためには,最大数の光子が,イメージャー(imager)により検出されることが基本である。第二に,フレーム伝達フォーマットにより,信号の集積が,集積期間に加え,記憶領域の読み出しの間に起こることができる。このことにより,電荷が,収集された信号をほぼ連続して最大化して集積され得る。  A special CCD is required for optimal low-light EBCCD performance. The CCD is required to be thin at the rear to allow high electron impact semiconductor gain. CCDs cannot be used in the front impact mode used in standard CCD cameras when the gate structure prevents photoelectrons from reaching the semiconductor and low electron impact semiconductor gain is obtained at moderate acceleration voltages. The high acceleration voltage required to penetrate the gate structure damages the CCD and shortens the life of the CCD. A frame transfer format is also required if the CCD has both an image area and a storage area on the chip. The image and storage area are approximately the same size. The frame transmission format is required for two reasons. First, the CCD image area has a high filling factor (minimum dead area) if possible. The frame transfer CCD architecture satisfies this condition. The line voltage architecture provides a substantial dead area (on the order of 70-80%). The reduction of the active area causes the photoelectrons to be lost. This means a decrease in photoelectron cathode quantization efficiency or sensitivity. At the lowest light level (starlight or cloudy starlight), the performance of a low light camera is represented by photon statistics. For sufficiently low light resolution and performance, it is essential that the maximum number of photons be detected by an imager. Secondly, due to the frame transfer format, signal integration can occur during the storage area reading in addition to the integration period. This allows charge to be accumulated with the collected signal substantially continuously maximized.

EBCCDカメラはさらに欠点をもつ。フレーム遷移CCDアーキテクチャーは,CCD上のイメージおよび記憶領域の条件のために,必要な真空エンベロープの大きさを二倍化にすることが必要なEBCCDの例に対して,困難な問題を有する。この条件はまた,フレーム伝達CCDチップがイメージ領域の大きさを二倍以上とすることを意味する。このことは,チップがシリコンウエハ毎に製造することができず,行間伝達CCDまたは能動画素センサーチップに関して,CCEのコストを実質的に増加させる。EBCCD利用カメラはまた,高電子衝撃半導体利得に対して,半導体を薄くし,後面を不動態化するために,特別な処理を必要とするCCDの後方照明の欠点を有する。この処理は,シリコン産業において標準ではなく,EBCCD製造コストを実質的の増加させる。EBCCDカメラは,CCDクロック条件のために,数ワットのパワーを消費し,カメラ全体用の外部電子系を必要とする。外部カメラ電子系の大きさは,そのカメラを製造することの利点をもつ応用例の妨げとなる。最後に,CCDは,主要なCMOS半導体製造技術と互換性のない特別な半導体製造ラインを必要とする。これはさらに,CCDを利用するカメラのコストを増大させる。  EBCCD cameras have further disadvantages. Frame transition CCD architecture has a difficult problem for the EBCCD example where the required vacuum envelope size needs to be doubled due to image and storage requirements on the CCD. This condition also means that the frame transfer CCD chip will double the size of the image area. This substantially increases the cost of CCE for inter-row transfer CCDs or active pixel sensor chips, where the chip cannot be manufactured on a silicon wafer basis. EBCCD-based cameras also have the disadvantages of CCD back lighting that require special processing to thin the semiconductor and passivate the rear surface for high electron impact semiconductor gain. This process is not standard in the silicon industry and substantially increases EBCCD manufacturing costs. EBCCD cameras consume several watts of power due to CCD clock conditions and require external electronics for the entire camera. The size of the external camera electronics hinders applications that have the advantage of manufacturing the camera. Finally, CCDs require special semiconductor production lines that are not compatible with major CMOS semiconductor manufacturing technologies. This further increases the cost of cameras using CCD.

発明の要約
本発明の目的は,従来技術の種々の欠点を除去し,改良された低光量のイメージシステムおよび対応する方法を提供することである。このことは,光電陰極センサーをもつ真空エンベロープにおいて,能動画素センサーCMOSイメージャーを電子衝撃モードで利用することにより達成される。電子衝撃能動画素センサーは,レンズ,ハウジング,パワーおよび制御インターフェイスをもつ,低光量カメラからなる。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to eliminate various drawbacks of the prior art and provide an improved low light image system and corresponding method. This is achieved by using an active pixel sensor CMOS imager in electron impact mode in a vacuum envelope with a photocathode sensor. The electronic impact active pixel sensor consists of a low light camera with a lens, housing, power and control interface.

本発明の他の目的は,能動画素センサーCMOSイメージャーおよび直接電子衝撃を利用する,改良された低光量のカメラを記述することである。  Another object of the present invention is to describe an improved low light camera that utilizes an active pixel sensor CMOS imager and direct electron impact.

さらに,本発明の目的は,当該イメージ回路が使用される軽量な構造の形成を容易にするための,パワー条件を顕著に緩和し,種々の低光量のイメージ化応用例に対する改良された装置を提供できる,新規なチップまたはイメージ回路を記述することである。  In addition, it is an object of the present invention to provide an improved apparatus for various low light imaging applications that significantly eases the power requirements to facilitate the formation of a lightweight structure in which the image circuit is used. To describe a new chip or image circuit that can be provided.

さらに,本発明の特徴および実施例は,添付の図面とともに以下の説明から明らかになる。  Further features and embodiments of the present invention will become apparent from the following description taken in conjunction with the accompanying drawings.

発明の詳細な説明
能動画素センサーチップが図1に示されている。光ゲート能動画素センサーのアーキテクチャーは,図2に示され,図3のフォトダイオード能動画素センサーのものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION An active pixel sensor chip is shown in FIG. The architecture of the light gate active pixel sensor is shown in FIG. 2 and is that of the photodiode active pixel sensor of FIG.

図1において,論理タイミングおよび制御回路12により制御される画素アレー11が示されている。信号が,アナログプロセッサおよびアナログ‐デジタルコンバータを含む信号プロセッサにより処理される。カラム選択制御回路が符号15で示され,出力信号が,矢印16のように,能動画素センサーから与えられることが示されている。矢印16での出力は,能動画素センサーが使用され,または信号が供給されるシステムに依存するデジタルまたはアナログ信号からなってもよい。  In FIG. 1, a pixel array 11 controlled by logic timing and control circuit 12 is shown. The signal is processed by a signal processor including an analog processor and an analog-to-digital converter. The column selection control circuit is indicated by reference numeral 15 and the output signal is shown to be provided from the active pixel sensor as indicated by arrow 16. The output at arrow 16 may consist of a digital or analog signal depending on the system in which the active pixel sensor is used or the signal is supplied.

二つの基本的な画素アーキテクチャーが,画素アレー11の個々の画素を形成するために使用される。画素用の第一のアーキテクチャーは光ゲート画素構成である。第二の画素用のアーキテクチャーはフォトダイオード画素構成である。  Two basic pixel architectures are used to form the individual pixels of the pixel array 11. The first architecture for the pixel is a light gate pixel configuration. The architecture for the second pixel is a photodiode pixel configuration.

図2において,光ゲート型画素構成が示されている。入射光子束により生成された光電子は,光ゲート74の下に集積される。光ゲート(CCD上に形成されたゲートと近似する)は,電荷蓄積領域にわたった誘電層上にポリシリコン電極を有する。光ゲートは符号67に示すところに適用される電源によりバイアスされる。光ゲートは伝達ゲート75およびブリッジ拡散73によりにより,浮動出力拡散モード72から分離される。伝達ゲートは,符号66に示すところに適用される電源によりバイアスされる。半導体の,これらの適用バイアス電位により生じたポテンシャル井戸は破線により示されているが,適用バイアス電位により,光ゲートの下方に電荷が集積される。読み出しのために,浮動出力拡散電極は,符号61により示されたところに適用される電圧(ドレイン電圧としても参照される)によりリセットされるが,この電圧の適用は,通常はオフとなったリセットトランジスタ64のゲート62が,トランジスタをオンにし,ドレイン電圧への浮動出力拡散をセットするために,電源のパルスを受けたときである。光ゲート電圧は,収集された電荷を浮動出力拡散電極72に伝達するために,瞬時に脈動するものである。光を生成した電荷は,ロー選択トランジスタ63が,電圧パルスをトランジスタ69に適用することによりオンとなるときに,検知される。電荷は,ソースフォロワトランジスタ59により増幅され,電圧はカラムバス65に接続されたアナログ信号処理回路(図1を参照)により検知される。光ゲート構成(図2)(図3に示されたフォトダイオード画素構成に匹敵)は読み出されたノイズが低いという利点を有するが,その理由は,ソースフォロワトランジスタによる測定された電圧がリセットされたレベルと信号レベルとの差であるときに,関連した二重サンプリング読み出しを画素に集積することができることからであるが,しかし,介入ポリシリコン層への光吸収のために,光学的感度が低いという欠点を有する。  In FIG. 2, an optical gate type pixel configuration is shown. The photoelectrons generated by the incident photon flux are collected under the optical gate 74. The optical gate (similar to a gate formed on a CCD) has a polysilicon electrode on a dielectric layer over the charge storage region. The optical gate is biased by a power supply applied at 67. The optical gate is separated from the floating output diffusion mode 72 by a transmission gate 75 and a bridge diffusion 73. The transmission gate is biased by the power supply applied at 66. The potential wells generated by these applied bias potentials in the semiconductor are indicated by broken lines, but charges are accumulated below the optical gate by the applied bias potential. For reading, the floating output diffusion electrode is reset by the voltage applied as indicated by reference numeral 61 (also referred to as the drain voltage), but this voltage application was normally turned off. This is when the gate 62 of the reset transistor 64 receives a power pulse to turn on the transistor and set the floating output diffusion to the drain voltage. The photogate voltage is instantaneously pulsated to transfer the collected charge to the floating output diffusion electrode 72. The charge that generated the light is detected when the row selection transistor 63 is turned on by applying a voltage pulse to the transistor 69. The charge is amplified by the source follower transistor 59, and the voltage is detected by an analog signal processing circuit (see FIG. 1) connected to the column bus 65. The optical gate configuration (FIG. 2) (comparable to the photodiode pixel configuration shown in FIG. 3) has the advantage of low read noise because the measured voltage by the source follower transistor is reset. This is because the associated double sampling readout can be integrated into the pixel when the difference between the signal level and the signal level, but due to the light absorption into the intervening polysilicon layer, the optical sensitivity is low. It has the disadvantage of being low.

図3において,フォトダイオード型画素構成が示されている。入射光子束により生成された光電子は,通常はオフとなっているリセットトランジスタ24が,トランジスタをオンにし,フォトダイオードバイアスをドレイン電圧にセットするために,電源によりパルス信号を受けると,適用される符号21により示されるところ(ドレイン電圧とも参照される)に適用される電源により,逆バイアスされたフォトダイオード20上に収集される。光生成の電荷は,ロー選択トランジスタ23が,電圧パルスをトランジスタゲート29に適用することによりオンとなるときに,検知される。電荷はソースフォロワトランジスタ19により増幅され,その電圧は,コラムバス25に接続されたアナログ信号処理回路13(図1を参照)により検知される。  In FIG. 3, a photodiode type pixel configuration is shown. Photoelectrons generated by the incident photon flux are applied when the reset transistor 24, which is normally off, receives a pulse signal from the power supply to turn on the transistor and set the photodiode bias to the drain voltage. Collected on a reverse-biased photodiode 20 by a power supply applied as indicated by reference numeral 21 (also referred to as the drain voltage). The photogenerated charge is detected when the row selection transistor 23 is turned on by applying a voltage pulse to the transistor gate 29. The electric charge is amplified by the source follower transistor 19, and the voltage is detected by the analog signal processing circuit 13 (see FIG. 1) connected to the column bus 25.

能動画素センサーを有するカメラは,電荷結合デバイスをもつカメラを越えた,重要な利点をもつ。これらの利点は,必要なカメラ電子の大部分が,電子系が統合されたタイミングおよび制御電子系を含むところのAPSチップ上に統合されている実質的に高度な電子系の統合,パワー要件の顕著緩和,低コストの標準CMOS製造技術の使用,カメラの容積の全体的な減少,および可変性のあるイメージ読み出しである。イメージ読み出しモードが,全体のアレーのサブ領域の窓読み出し,またはn番目毎に画素が読み出される(nは整数)スキップ読み出しを含むことができる。これらのモードの両者において,画素の一部分が高いフレームレートを可能にして読み出される。 Cameras with active pixel sensors have significant advantages over cameras with charge-coupled devices. These advantages include a substantially advanced electronic integration, power requirements, where most of the required camera electronics are integrated on the APS chip where the electronics include integrated timing and control electronics. significant relaxation, the use of low cost standard CMOS fabrication technology, overall reduction in volume of the camera, and a variable of a certain image reading. Image readout modes can include window readout of sub-regions of the entire array or skip readout where pixels are read every nth (n is an integer). In both of these modes, a portion of the pixel is read out allowing a high frame rate.

図4において,本発明にしたがった電子衝撃能動画素センサー真空システムまたは管33が示されている。このシステムは,光電陰極31,好適には,高性能の応用例ではGaAsまたはInP/InGaAs伝達電子光電陰極のような半導体光電陰極(これは管の電極を形成する特別の能動画素センサーチップ32とほぼ焦点があっている)を含んでもよい。光電子35は,符号36の矢印により示された入射光に応答して,光電陰極31から放出される。これらの電子は,能動画素センサー32が捕える,チップ内での電子利得を可能にするのに十分なエネルギーに,適用電圧により加速される。このことは,チップを,他の要素と容易なインターフェイスを行わせる接地電位近くにバイアスすることを可能にする。制御信号およびバイアス電圧38が能動画素センサー32に適用され,ビデオ出力信号40がセンサー32から取り出され得る。図4の管33のベースは透明なフェイスプレートであり,管の側壁39は,光電陰極31が位置する透明なフェイスプレートとヘッダー組立体34(APSチップが位置する)との間に伸長する。ヘッダー組立体34はまた,電圧38をAPSチップに適用するための電気フィードスルーおよびAPSチップからのビデオ出力信号40のための手段を与える。 In FIG. 4, an electron impact active pixel sensor vacuum system or tube 33 according to the present invention is shown. This system consists of a photocathode 31, preferably a semiconductor photocathode such as GaAs or InP / InGaAs transfer electron photocathode for high performance applications (this includes a special active pixel sensor chip 32 that forms the electrode of the tube). May be included). The photoelectrons 35 are emitted from the photocathode 31 in response to the incident light indicated by the arrow 36. These electrons are accelerated by the applied voltage to an energy that is captured by the active pixel sensor 32 and is sufficient to allow electronic gain in the chip. This allows the chip to be biased near ground potential that allows easy interfacing with other elements. A control signal and bias voltage 38 may be applied to the active pixel sensor 32 and the video output signal 40 may be retrieved from the sensor 32. The base of the tube 33 in FIG. 4 is a transparent face plate, and the side wall 39 of the tube extends between the transparent face plate where the photocathode 31 is located and the header assembly 34 (where the APS chip is located). The header assembly 34 also provides an electrical feedthrough for applying a voltage 38 to the APS chip and a means for the video output signal 40 from the APS chip.

電子衝撃センサー利得は好適に,読み出されたノイズに打ち勝つほど十分に高い。これにより,一つの光電子の検出が可能になる。  The electronic shock sensor gain is preferably high enough to overcome the read noise. As a result, one photoelectron can be detected.

この適用例のための能動画素センサーは,電子感度に対し,電子衝撃半導体メカニズムを使用して修正される。好適な実施例は,表面電子衝撃モードで,能動画層センサーチップの後面を薄くすること,および不動態化することといった条件をなくすことである。表面電子衝撃のアプローチは,電子衝撃能動画素センサーの要素を最もコストの低いものにする。しかし,低光量の性能がこのアプローチで著しく低下することはないことは重要なことである。これは,高い充填率を可能にするために,画素領域の相当な割合をフォトダイオードが占めることによる。50%を越える充填因子が,良い低光量の性能に対して望ましい。50%の充填因子は,電子衝撃能動画素センサーに対し,第三世代のイメージ増強管を使用するイメージ増強管CCDシステムと同等の低ノイズ感度をもたらす。  The active pixel sensor for this application is modified for electron sensitivity using an electron impact semiconductor mechanism. A preferred embodiment is to eliminate conditions such as thinning and passivating the rear surface of the active animation layer sensor chip in surface electron impact mode. The surface electron impact approach makes the elements of an electron impact active pixel sensor the lowest cost. However, it is important that the low light performance is not significantly degraded by this approach. This is because the photodiode occupies a significant proportion of the pixel area in order to enable a high filling factor. A fill factor greater than 50% is desirable for good low light performance. A 50% fill factor results in low noise sensitivity for electron impact active pixel sensors comparable to an image intensifier tube CCD system using a third generation image intensifier tube.

表面電子衝撃画素センサーチップを組み込む電子衝撃能動画素センサー要素が好適に,フォトダイオード能動画素アーキテクチャーを使用する。これは,すべての上に位置する材料を,この画素配置となったフォトダイオード半導体表面に移すことができることによる。半導体と入射電子との間に介在する材料は,電子を吸収し,低電子衝撃半導体利得をもたらし,高加速電圧を必要とする電子エネルギーを分散することができる。光ゲート能動画素センサーのアーキテクチャーは,典型的な加速エネルギー(2keV)に対して入射光電子の収集を妨げる,上に位置するポリシリコンまたは他の材料を必要とする欠点をもつ。入射電子はまた,誘電体への輻射損失を生じさせ,シリコンインターフェイスは,表面電子衝撃光ゲート能動画素センサーチップに対し短い動作寿命をもたらす。  An electron impact active pixel sensor element incorporating a surface electron impact pixel sensor chip preferably uses a photodiode active pixel architecture. This is because all the overlying material can be transferred to the surface of the photodiode semiconductor in this pixel arrangement. The material intervening between the semiconductor and the incident electrons can absorb the electrons, provide a low electron impact semiconductor gain, and disperse the electron energy that requires a high acceleration voltage. The photogate active pixel sensor architecture has the disadvantage of requiring overlying polysilicon or other material that prevents the collection of incident photoelectrons for typical acceleration energy (2 keV). Incident electrons also cause radiation loss to the dielectric, and the silicon interface provides a short operating lifetime for the surface electron impact light gate active pixel sensor chip.

フォトダイオードは,比較的低い電子加速電圧(好適には2,000ボルト以下)で,高電子衝撃半導体利得をもつことが望ましい。このことは,能動画素センサーチップ上の,シリコンまたは上に位置する構成物への電子衝撃により生じるX線のため,CMOSイメージャーへの輻射損失を最小化する。低電圧動作はまた,適用される電圧の制御により,増強管における容易なゲート動作を可能にするために望ましい。さらに,電荷の蓄積を放出し,静電放電により損傷を防止できるような伝導性をもつ,上に位置する保護層を与えることで,隣接したCMOS回路を電子衝撃から保護することが望ましい。保護はまた,下に位置するCMOS回路へのX線照射を減少させる。  The photodiode should have a high electron impact semiconductor gain at a relatively low electron acceleration voltage (preferably 2,000 volts or less). This minimizes the radiation loss to the CMOS imager due to x-rays generated by electron impact on the active pixel sensor chip on silicon or components located above it. Low voltage operation is also desirable to allow easy gate operation in the booster tube by controlling the applied voltage. In addition, it is desirable to protect adjacent CMOS circuits from electron impact by providing an overlying protective layer with conductivity that releases charge accumulation and prevents damage by electrostatic discharge. Protection also reduces X-ray exposure to the underlying CMOS circuit.

低電子加速電圧での,高電子衝撃半導体利得には,表面でのキャリヤの再結合を最小化するために,フォトダイオード表面から,上に位置する層を除去すること,および半導体表面の良い不動態化が必要される。この不動態化は,従来技術から知られている多くに技術により達成できるものである。一つの標準的な技術は,半導体表面で,薄くドープされた領域を形成することである。このドープされた領域の厚さは,所望の動作電圧において,固体中で電子列(range)に等しいかまたはそれよりも小さいこと,好適には実質的に小さいことが望ましい。2,000ボルトの動作では,電子列はシリコンで約600オングストロームである。固体中の,おおよその電子列は,Gruen列,RGにより与えられるが,ここでRG=400Eb 1.75/ρである。RGはオングストローム,EbはkeV, ρはgm/cm3単位である。シリコンの場合,バルク密度,ρは2.33g/cm3である。High electron impact semiconductor gain at low electron accelerating voltages can be achieved by removing the overlying layer from the photodiode surface and minimizing the semiconductor surface to minimize carrier recombination at the surface. Dynamics are needed. This passivation can be achieved by many techniques known from the prior art. One standard technique is to form a lightly doped region on the semiconductor surface. The thickness of this doped region should be equal to or less than the electronic range in the solid, preferably substantially smaller, at the desired operating voltage. For operation at 2,000 volts, the electron string is about 600 angstroms of silicon. The approximate electron string in the solid is given by the Gruen string, R G , where R G = 400 E b 1.75 / ρ. R G is angstroms, E b is keV, [rho is gm / cm 3 units. In the case of silicon, the bulk density, ρ, is 2.33 g / cm 3 .

ドープされた領域は,下に位置する領域よりも大きい自由キャリヤ濃度をもつ同じキャリヤタイプをもつようにドープされる。ドープ密度の増加は,所望の少数のキャリヤが,再結合し,逆バイアスされたフォトダイオードにより収集されない表面に到着することを防止するポテンシャル(電位)バリヤを形成する。少数のキャリヤがその表面に到着することを防止するために,ポテンシャルバリヤを形成する他の技術は従来から知られている。不動態化技術は,Janesik等により,1989年4月18日に発行された米国特許第4,822,748号,Janesikにより,1988年7月26日に発行された米国特許第4,760,031号に開示されている。 The doped region is doped to have the same carrier type with a higher free carrier concentration than the underlying region. The increase in doping density creates a potential barrier that prevents the desired small number of carriers from recombining and arriving at a surface that is not collected by the reverse-biased photodiode. Other techniques for forming a potential barrier are known in the art to prevent a small number of carriers from reaching the surface. Passivation techniques are disclosed in US Pat. No. 4,822,748 issued Jan. 18, 1989 by Janesik et al. And US Pat. No. 4,760,031 issued Jan. 26, 1988 by Janesik.

本発明の他の実施例は,後面衝撃能動画素センサーチップを利用する。この実施例において,APSチップは下に向けて配置され,シリコン基板は,薄くされた能動画素センサーチップを残して,機械的に,化学的に除去される。  Another embodiment of the present invention utilizes a rear impact active pixel sensor chip. In this embodiment, the APS chip is placed face down and the silicon substrate is mechanically and chemically removed leaving the thinned active pixel sensor chip.

CCDに関連した基板を薄くする方法は,米国特許第4,687,922号に開示されている。この開示された方法は,APS構成物の後面を薄くするために使用することができ,ここに参考文献として組み込まれる。一般的に,後面を薄くすることは,感受性のある領域の下の基板を薄くすることにより達成され得る。  A method for thinning a substrate associated with a CCD is disclosed in US Pat. No. 4,687,922. This disclosed method can be used to thin the back side of APS components and is hereby incorporated by reference. In general, thinning the back surface can be accomplished by thinning the substrate under the sensitive area.

基板を薄くする前のフォトダイオード画素構成物の断面が図5に示されている。図3のフォトダイオード20は,図5では,領域55として示されている。画素中に関連したトランジスタ(図3ではトランジスタ19,22,および23)から成るCMOS回路は領域53に含まれる。まず,基板の51の大部分を除去するために,急速等方エッチング工程が実行される。たとえば,基板が最初約400μmであるとき,このエッチング工程は,基板層51の約380μmが,基板材の約20μmの薄い層を残して,エッチングされるまで続く。このエッチング工程は,割合が5:3:3の硝酸,酢酸,およびフッ化水素酸の溶液,または従来から知られた溶液を利用して実行される。このエッチングの間,基板を回転させることにより,良好な一貫性をもつ最終厚さが形成される。遅いエッチングがつぎに残りの基板材を除去するために実行され,エッチングは層57で停止される。このエッチングは350ml当たり5mlの割合で過酸化水素が存在する酸性溶液または従来技術の同様の溶液で,割合が3:8:1の硝酸,酢酸およびフッ化水素酸で行われる。層57と51との間のドーピング差が,エッチング感受性を得るために利用される。エッチングは,厚さが良好な一様性をもつことを確実にするために実行される。能動画素センサーを薄くした後,後面は,表面の再結合速度を減少させ,低動作電圧(<2kV)で高い電子衝撃利得を確実に得るようにするために,不動態化される。  A cross section of the photodiode pixel structure before thinning the substrate is shown in FIG. The photodiode 20 of FIG. 3 is shown as region 55 in FIG. Included in region 53 is a CMOS circuit consisting of associated transistors (transistors 19, 22, and 23 in FIG. 3) in the pixel. First, a rapid isotropic etching process is performed to remove most of the substrate 51. For example, when the substrate is initially about 400 μm, this etching process continues until about 380 μm of the substrate layer 51 is etched leaving a thin layer of about 20 μm of substrate material. This etching process is performed using a solution of nitric acid, acetic acid, and hydrofluoric acid in a ratio of 5: 3: 3, or a conventionally known solution. By rotating the substrate during this etching, a final thickness with good consistency is formed. A slow etch is then performed to remove the remaining substrate material and the etch is stopped at layer 57. This etching is carried out with an acidic solution in the presence of hydrogen peroxide at a rate of 5 ml per 350 ml or a similar solution of the prior art with a ratio of 3: 8: 1 nitric acid, acetic acid and hydrofluoric acid. The doping difference between layers 57 and 51 is used to obtain etch sensitivity. Etching is performed to ensure that the thickness has good uniformity. After thinning the active pixel sensor, the rear surface is passivated to reduce the surface recombination rate and ensure high electron impact gain at low operating voltages (<2 kV).

基板の除去および後面の不動態化により,確実に,光子および光電子が,ポテンシャル源に十分に近い点で吸収され,この実施例では,逆バイアスされたフォトダイオードで達成される電荷収集が,生成された電荷をバルクまたは表面再結合または横方向拡散なしで,目的地に着くようにさせることができる。  Substrate removal and backside passivation ensure that photons and photoelectrons are absorbed sufficiently close to the potential source, and in this example, the charge collection achieved with a reverse-biased photodiode is generated. The charged charge can be made to reach the destination without bulk or surface recombination or lateral diffusion.

露出モードにおいて,光電陰極からの電子は,前述したEBCCDの場合と同様に,チップの後面上に入射する。このアプローチは,APSチップの取り付けおよび薄くすることのための付加的な処理を必要とするが,電子衝撃表面上に介在構造物がないことから,100%の充填率が得られ,入射光電子のすべてが潜在的に,従来技術として知られている方法で,ドーピングプロファイルを操作することにより,適切な静電ポテンシャル分布を固体内に作りこむことで除去できるといる利点がある。後面露出および後面を薄くすることは,フォトダイオードか,フォトゲート画素構造物かいずれかと適合する。層57内のポテンシャル分布は,CMOS回路から離れる,生成された電子をフォトダイオードまたはフォトゲート構造物に偏向するように形成され得る。これにより,優れた低光量の感度が可能となる。  In the exposure mode, electrons from the photocathode are incident on the rear surface of the chip as in the case of EBCCD described above. This approach requires additional processing for the attachment and thinning of the APS chip, but since there are no intervening structures on the electron impact surface, a 100% fill factor is obtained and the incident photoelectrons All have the advantage that potentially all can be eliminated by creating a suitable electrostatic potential distribution in the solid by manipulating the doping profile in a manner known as prior art. Thinning the backside exposure and backside is compatible with either photodiodes or photogate pixel structures. The potential distribution in layer 57 can be formed to deflect the generated electrons away from the CMOS circuit to a photodiode or photogate structure. This enables excellent low light sensitivity.

好適というわけではないが,本発明の他の実施例は,電子‐光変換層でコーティングされた前面衝撃能動画素センサーチップを利用する。このことは,図6に関連して説明される。  Although not preferred, another embodiment of the present invention utilizes a front impact active pixel sensor chip coated with an electro-optic conversion layer. This is explained in connection with FIG.

このアプローチは,直接の電子感度に対して,修正されなかった標準チップを利用するという利点をもつ。このタイプの能動画素センサーが図6に示されている。図6において,前面の電子‐光変換層をもつ能動センサーの断面が示されている。フォトダイオード(図3での符号20)またはフォトゲート(図2での74)は図6では領域85として示されている。画素中の関連したとトランジスタまたはゲート(図3のトランジスタ19,22および23)または図2のトランジスタおよびゲート75,64,63,59)からなるCMOS回路が領域83に含まれる。これらの構成物は,基板81に含まれる。光学的保護層86が,電子‐光変換層84で生成された光が領域83に入ることを防止するために使用される。生成した光が,光変換層(ここでは反射が,光が到着する領域85(ここで,フォトダイオードまたはフォトゲート構造物により検知される)で生じる)に反射して戻ることができるようにアルミニウムまたは他の高反射率の金属で層86が作られる。光変換層84は,光学的に反射性をもつ,電気伝導性のある層82でコーティングされている。層82は電子衝撃能動画素センサーに対して伝導性電極層を形成し,入射電子を収集し,バイアス電源へと排出することができる。層82はまた,層84で生成された光が光電陰極に着くことを防止する。この層からの光が光電陰極に着くと,光学的フィードバックがもたらされ,検知されたイメージに過度のノイズが付加される。典型的に,層82は,層84から光電陰極に着く光を,光学的フィードバック効果を最小化するために,少なくとも三桁分減衰する。  This approach has the advantage of using an unmodified standard chip for direct electronic sensitivity. This type of active pixel sensor is shown in FIG. In FIG. 6, a cross section of an active sensor with a front electro-optical conversion layer is shown. A photodiode (reference numeral 20 in FIG. 3) or a photogate (74 in FIG. 2) is shown as region 85 in FIG. Region 83 includes a CMOS circuit consisting of associated transistors or gates (transistors 19, 22, and 23 in FIG. 3) or transistors and gates 75, 64, 63, and 59 in FIG. These components are included in the substrate 81. An optical protective layer 86 is used to prevent light generated by the electron-to-light conversion layer 84 from entering the region 83. Aluminum so that the generated light can be reflected back to the light conversion layer (where reflection occurs in the region 85 where the light arrives, where it is detected by a photodiode or photogate structure). Or layer 86 is made of other highly reflective metals. The light conversion layer 84 is coated with an electrically conductive layer 82 that is optically reflective. Layer 82 forms a conductive electrode layer for the electron impact active pixel sensor to collect incident electrons and discharge them to a bias power source. Layer 82 also prevents light generated in layer 84 from reaching the photocathode. When light from this layer arrives at the photocathode, optical feedback is provided and excessive noise is added to the sensed image. Typically, layer 82 attenuates the light coming from layer 84 to the photocathode by at least three orders of magnitude to minimize optical feedback effects.

この実施例において,標準的な能動画素センサーチップが,図6に示された電子‐光変換層および関連した構造物の適用例とともに使用することができる。陰極から陽極へ加速された電子は変換層により光子に変換され,APS画素により検出される。このスクリーンは,能動画素センサーチップ上に直接付着される。このアプローチにおいて,層82は,比較的低入射電子エネルギーで,良好な光学反射性および良好な電子透過性の特性をもつアルミニウムを使用して製造される。光学的反射性は,生成した光のより多くをフォトゲートまたはフォトダイオードに到着させ,より高い感度とするために重要である。この場合,層82に突き当たる光は,画素に反射して戻り,検出されて,スクリーン効率が増加する。層84は,P20またはP43(緑色で放出する)のような高効率の蛍光体を使用して製造される。能動画素センサーのピーク感度波長と整合する波長をもつ光を放出する蛍光体を選択することにより,さらに最適化される。変換層は,従来技術において知られているタイプの標準的な金属化された蛍光スクリーンからなってもよい。  In this embodiment, a standard active pixel sensor chip can be used with the electro-optical conversion layer and associated structure application shown in FIG. Electrons accelerated from the cathode to the anode are converted into photons by the conversion layer and detected by the APS pixel. This screen is deposited directly on the active pixel sensor chip. In this approach, layer 82 is fabricated using aluminum with relatively low incident electron energy and good optical reflectivity and good electron transmission properties. Optical reflectivity is important to allow more of the generated light to reach the photogate or photodiode for higher sensitivity. In this case, light striking the layer 82 is reflected back to the pixels and detected, increasing screen efficiency. Layer 84 is fabricated using a high efficiency phosphor such as P20 or P43 (emitting in green). It is further optimized by selecting a phosphor that emits light having a wavelength that matches the peak sensitivity wavelength of the active pixel sensor. The conversion layer may consist of a standard metallized phosphor screen of the type known in the prior art.

表面に変換層を使用するアプローチの欠点は,能動画素センサーチップにより,電子の直接の検出と比較して,解像度はより低くなり,ノイズはより高くなる。解像度の低下は,画素対画素のクロストークをもたらし,変調伝達関数を減少させる光変換層における光の散乱から起こる。光変換スクリーンと一体的となった付加的な変換工程による過度のノイズ因子の低下から,より高いノイズが生じる。より高いノイズはまた,電子加速電圧が良好な変換利得を達成するために,実質的により高いものとする必要があることからも生じる。このことは,良好な変換効率のために,4kVよりも高い電圧を,典型的に必要とする光変換層における非効率性のためである。高加速電圧はX線発生率を著しく増加させる。光電陰極により検出されたX線は大きなノイズパルスをもたらす。X線はまた,輻射損失効果のため,能動画素センサーチップの寿命を極端に縮める。最大の効率のために,光変換構成物を最適化すること,前述した技術を使用して低電圧操作を可能にすることは,ノイズ効果を減少させ得る。  The disadvantage of the approach using a conversion layer on the surface is that the active pixel sensor chip results in lower resolution and higher noise compared to direct detection of electrons. The reduction in resolution results from light scattering in the light conversion layer that results in pixel-to-pixel crosstalk and reduces the modulation transfer function. Higher noise results from excessive noise factor reduction due to an additional conversion process integrated with the light conversion screen. Higher noise also arises from the fact that the electron acceleration voltage needs to be substantially higher to achieve a good conversion gain. This is due to inefficiencies in the light conversion layer that typically require voltages higher than 4 kV for good conversion efficiency. High acceleration voltage significantly increases the X-ray generation rate. X-rays detected by the photocathode result in large noise pulses. X-rays also drastically shorten the lifetime of active pixel sensor chips due to radiation loss effects. Optimizing the light conversion components for maximum efficiency and enabling low voltage operation using the techniques described above can reduce noise effects.

図7において,種々のイメージ化システムを示すために,本発明にしたがったカメラが示されている。この図において,符号140は,レンズ141を介して,光電陰極142に焦点が合わされたイメージを示す。光電陰極142に,電源145からの電圧リード線143が接続されている。電源145はまた,リード線146を介して能動画素センサー147に接続されている。真空チェンバー148が光電陰極142を能動画素センサー147から分離している。壁150はチェンバーのシールされた外壁を示す。  In FIG. 7, a camera according to the present invention is shown to illustrate various imaging systems. In this figure, reference numeral 140 indicates an image focused on the photocathode 142 via the lens 141. A voltage lead wire 143 from a power source 145 is connected to the photocathode 142. The power supply 145 is also connected to the active pixel sensor 147 via a lead wire 146. A vacuum chamber 148 separates the photocathode 142 from the active pixel sensor 147. Wall 150 represents the sealed outer wall of the chamber.

図に示されたカメラ配置は,本発明に関連して有用なシステムを示すためのものである。カメラシステムが容易に最適化されるべきであり,特定の応用例において,従来技術において知られているように修正することもできる。したがって,監視システムにおいて,捕捉されるイメージは建物領域の内側のもの,または外側のものを含んでもよく,ここでカメラレンズは,イメージを光電陰極(順に,空間的形状をもって,イメージを能動画素センサー(順に,イメージを見るための,出力陰極線システムまたは他のディスプレーを提供する)に伝達する)に焦点を合わせる。明らかなように,イメージ140は,能動画素センサーの出力が提供されるシステムにおいて統合されたディスプレー上または遠隔地でみることができる。このようなスクリーンはシステムの出力部として,符号154に示されているように,配置できる。  The camera arrangement shown in the figure is intended to illustrate a useful system in connection with the present invention. The camera system should be easily optimized and can be modified as known in the prior art for specific applications. Thus, in a surveillance system, the captured image may include the inside or outside of the building area, where the camera lens is used to convert the image into a photocathode (in order, with a spatial shape, the image into an active pixel sensor). (Provide output cathode ray system or other display for viewing images in turn). As can be seen, the image 140 can be viewed on an integrated display or in a remote location in a system where the output of an active pixel sensor is provided. Such a screen can be arranged as shown at 154 as the output of the system.

図示のタイプのカメラは,星明かりのようなレベルの光で作動して,イメージ化し,イメージを再生することができるが,典型的にそして好適には,明るい環境で作動(このような環境とは,夜間に人が通過できる程度に十分に明るくなくともよい)されるべきである。このことは一般的に,ほとんどのシステムおよび条件に対して十分であり,したがって,システムにおいて使用される要素の規格をより低いものにすることができる。夜間視認の目的のためのように,低光量のイメージ化が十分に行えることを必要とする応用例の場合(飛行が非常に低く,建物,木々,または電力線に関する事故について関心があるといったヘリコプター飛行の応用例),システムは,図示のように設計されてもよく,バッテリー動作,ヘルメットなどのような,夜間視認装置に付随するユニークな手段を含んでもよい。  The type of camera shown can operate with a level of starlight-like light to image and reproduce the image, but typically and preferably operates in a bright environment (such as Should not be bright enough for people to pass at night). This is generally sufficient for most systems and conditions, and can therefore result in lower standards for the elements used in the system. For applications that require sufficient low-light imaging, such as for night vision purposes (helicopter flight where flight is very low and interested in accidents involving buildings, trees, or power lines) The system may be designed as shown, and may include unique means associated with night vision devices, such as battery operation, helmets, and the like.

科学的な応用例においては,極端に暗い状況で動作させる必要がある。また,人が破損させることなく装置を取り扱う必要もある。暗視用に調節されたシステムは,これらの目的に対してほとんど有用である。他の科学的な応用例において,非常に低い光量の光放出をイメージ化することができること,または一つの光子でさえも検出することができることが要求される。記述したシステムは,これらの応用例に対しても適している。  In scientific applications, it is necessary to operate in extremely dark situations. It is also necessary to handle the device without human damage. A system adjusted for night vision is almost useful for these purposes. In other scientific applications, it is required that a very low light emission can be imaged or even a single photon can be detected. The described system is also suitable for these applications.

関連した出願が,発明者がKenneth A. Costelloの,Electron Bombarded Active Pixel Sensor Camera Incorporating Gain Control と題して同時に行われ,本発明に関連して参照されるものである。  A related application is simultaneously filed by the inventor, Kenneth A. Costello, entitled Electron Bombarded Active Pixel Sensor Camera Incorporating Gain Control, and is referenced in connection with the present invention.

本発明は特定の実施例に関連して説明されているが,当業者には明らかなように,本発明を実施する上で種々の変更が行い得ることは明らかであろう。したがって,本発明は特許請求の範囲に沿って画成されるべきである。  Although the invention has been described with reference to particular embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications can be made in the practice of the invention. Therefore, the present invention should be defined in accordance with the claims.

図1は,能動画素センサーチップのアーキテクチャーの概略図である。  FIG. 1 is a schematic diagram of the architecture of an active pixel sensor chip. 図2は,光ゲート型能動画素センサーのアーキテクチャーの概略図である。  FIG. 2 is a schematic diagram of the architecture of a light-gated active pixel sensor. 図3は,能動画素センサーの典型的なフォトダイオード型アーキテクチャーの概略図である。  FIG. 3 is a schematic diagram of a typical photodiode-type architecture of an active pixel sensor. 図4は,本発明にしたがった,真空管装置の,電子衝撃能動画素センサーを示す略示図である。  FIG. 4 is a schematic diagram illustrating an electron impact active pixel sensor of a vacuum tube apparatus according to the present invention. 図5は,フォトダイオード画素構造物の断面図である。  FIG. 5 is a cross-sectional view of the photodiode pixel structure. 図6は,上に位置する光変換層をもつ能動画素センサーの略示図である。  FIG. 6 is a schematic diagram of an active pixel sensor having an overlying light conversion layer. 図7は,本発明の応用例を示すイメージシステムまたはカメラを示す。  FIG. 7 shows an image system or camera showing an application example of the present invention.

Claims (9)

真空装置であって,
真空チェンバー(148)と,
該真空チェンバーの壁部の一部を構成し,光を受けたときに前記真空チェンバー内に電子を放出する光電陰極(31,142)と,
前記真空チェンバー内で前記光電陰極と向かい合って位置する,半導体層(57)を含む能動画素センサー(32,147)と,
前記光電陰極と前記能動画素センサーとの間にあり,前記真空チェンバーをシールする側壁構造物(39,150)と,
前記能動画像センサーからの信号を当該真空装置の外部で使用するための,前記能動画素センサーから前記真空チェンバーの外へ伸長する電子接続子と,
を含み,
前記光電陰極から前記真空チェンバー内に放出された電子を直接,前記能動画素センサーへ移動させる電場が前記真空チェンバー内に形成され,
前記半導体層(57)は,電子衝突を利用してイメージ化するための,フォトダイオード又はフォトゲート画素構成物,およびトランジスタを有するCMOS回路を含み,
前記能動画素センサー(32,147)は,前記能動画素センサーの後面が前記光電陰極からの電子により衝撃を受ける位置に配置され,
前記能動画素センサーは不動態化された電子衝撃を受ける後面を有する,ことを特徴とする真空装置。
A vacuum device,
A vacuum chamber (148),
A photocathode (31, 142) that forms part of the wall of the vacuum chamber and emits electrons into the vacuum chamber when receiving light;
An active pixel sensor (32, 147) including a semiconductor layer (57), located opposite the photocathode in the vacuum chamber;
A sidewall structure (39, 150) between the photocathode and the active pixel sensor and sealing the vacuum chamber;
An electronic connector extending from the active pixel sensor to the outside of the vacuum chamber for use outside the vacuum apparatus for signals from the active image sensor;
Including
An electric field is formed in the vacuum chamber to move electrons emitted from the photocathode into the vacuum chamber directly to the active pixel sensor;
The semiconductor layer (57) includes a photodiode or photogate pixel component for imaging using electron impact, and a CMOS circuit having transistors.
The active pixel sensor (32, 147) is disposed at a position where a rear surface of the active pixel sensor is impacted by electrons from the photocathode,
The vacuum device according to claim 1, wherein the active pixel sensor has a rear surface subjected to a passivated electron impact.
前記半導体層は,形成された電子を前記CMOS回路から離し、前記フォトダイオードまたはフォトゲート画素構成物へと向かうように偏向するポテンシャル分布を前記半導体層内に形成するためのドーピングプロファイルを有することを特徴とする,請求項1に記載の真空装置。
The semiconductor layer has a doping profile for forming a potential distribution in the semiconductor layer for deflecting the formed electrons away from the CMOS circuit and toward the photodiode or the photogate pixel structure. The vacuum apparatus according to claim 1, wherein the vacuum apparatus is characterized.
前記能動画素センサーの表面が電子光変換層によりコーティングされる,請求項2に記載の真空装置。
The vacuum apparatus according to claim 2, wherein a surface of the active pixel sensor is coated with an electro-optical conversion layer.
前記能動画素センサーの後面が薄くされ,前記光電陰極からの電子は,前記能動画素センサーの,前記薄くされた後面に向けられる,請求項2に記載の真空装置。
The vacuum apparatus according to claim 2, wherein a rear surface of the active pixel sensor is thinned, and electrons from the photocathode are directed to the thinned rear surface of the active pixel sensor.
請求項1ないし4のいずれか一項に記載の真空装置,さらに入力イメージの焦点を前記フォトカソードの対象平面上に合わせるレンズを含む低光量カメラ。
Vacuum apparatus according to any one of claims 1 to 4, further low-light camera including a lens to focus the input image on the photocathode of the object plane.
前記能動画素センサーは,電子光変換層でコーティングされ,該電子光変換層は,前記光電陰極から放出される電子が直接,前記変換層に衝突するように位置する,請求項5に記載のカメラ。
The camera according to claim 5, wherein the active pixel sensor is coated with an electro-optical conversion layer, and the electro-optical conversion layer is positioned so that electrons emitted from the photocathode directly collide with the conversion layer. .
前記能動画素センサーの後面は薄くされ,前記光電陰極からの電子は,前記能動画素センサーの,前記薄くされた後面の層に向けられる,請求項5に記載のカメラ。
6. The camera of claim 5, wherein a rear surface of the active pixel sensor is thinned and electrons from the photocathode are directed to the thinned back layer of the active pixel sensor.
低光量のイメージを記録する方法であって,
記録されるべきイメージを光電陰極に投射し,前記光電陰極から電子を,入力イメージの空間形状をもって真空チェンバーに放出させる工程と,
真空チェンバー内で,電子イメージの受信面に,半導体層を含む能動画素センサーを配置する工程と,
前記能動画素センサーの出力を前記真空チェンバーから記録装置へ向ける工程と,
を含み,
前記光電陰極から,前記真空チェンバー内に放出された電子を直接,前記能動画素センサーへ移動させる電場が前記真空チェンバー内に形成され,
前記半導体層(57)は,電子衝突を利用してイメージ化するための,フォトダイオード又はフォトゲート画素構成物,およびトランジスタを有するCMOS回路を含み,
前記能動画素センサー(32,147)は,前記能動画素センサーの後面が前記光電陰極からの電子により衝撃を受ける位置に配置され,
前記能動画素センサーは不動態化された電子衝撃を受ける後面を有する,ことを特徴とする方法。
A method of recording a low light image,
Projecting an image to be recorded onto a photocathode and emitting electrons from the photocathode to a vacuum chamber with the spatial shape of the input image;
Placing an active pixel sensor including a semiconductor layer on a receiving surface of an electronic image in a vacuum chamber;
Directing the output of the active pixel sensor from the vacuum chamber to a recording device;
Including
An electric field for moving electrons emitted from the photocathode directly into the vacuum chamber to the active pixel sensor is formed in the vacuum chamber,
The semiconductor layer (57) includes a photodiode or photogate pixel component for imaging using electron impact, and a CMOS circuit having transistors.
The active pixel sensor (32, 147) is disposed at a position where a rear surface of the active pixel sensor is impacted by electrons from the photocathode,
The method of claim 1, wherein the active pixel sensor has a rear surface subjected to a passivated electron impact.
電子イメージを光イメージに変換するための,オーバーコーティング層をもつ能動画素センサーが,前記光電陰極からの電子イメージが前記能動画素センサーのオーバーコーティング層に向くように,配置される,請求項8に記載の方法。 9. An active pixel sensor having an overcoating layer for converting an electronic image into a light image is positioned such that the electronic image from the photocathode is directed to the overcoating layer of the active pixel sensor. The method described.
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